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       轻质高强高韧石墨烯气凝胶在电子设备与微波屏蔽等领域有巨大的应用潜力。然而，该材料在循环载荷下常常表现出显著的强度和抗疲劳性能衰减，导致结构完整性受损。因此，阐明该材料微结构变形和失效机理，设计具有高抗疲劳性能的石墨烯气凝胶是亟待解决的关键科学问题。

       近日，西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队与浙江大学高分子科学与工程系高超教授团队结合数值模拟和实验验证方法，提出了一种石墨烯气凝胶的多尺度节点增强策略，可有效抑制该材料多孔微结构的节点失效，实现了石墨烯气凝胶抗疲劳性能的数量级提升。相关研究成果以“Anti-fatigue Cellular Graphene Aerogel through Multiscale Joint Strengthening”为题发表在国际知名期刊《Advanced Materials》上。

内容概述

       蜂窝状石墨烯气凝胶在循环载荷下发生显著的节点失效行为，在经历10次循环加载后其强度衰减高达10%、塑性变形高达22%（图一）。为此，我们提出了节点交链与节点曲率化的多尺度节点增强策略，分别通过增强层间相互作用和降低循环加载过程中的层间应力，有效降低石墨烯气凝胶的强度衰减和塑性变形，显著提高石墨烯气凝胶的抗疲劳性能。基于该优化设计策略所制备的气凝胶的塑性变形在104循环载荷后小于1%（图二）。此外，分子动力学模拟和有限元分析结果表明石墨烯气凝胶的胞壁具有高度各向异性（图三），导致蜂窝多孔微结构的层间应力集中于节点区域，且胞壁层间弱界面对层间载荷敏感，故层间失效主导了蜂窝状结构的节点破坏（图四）。我们进一步设计了双曲面和三周期极小曲面微结构，发现在提高石墨烯气凝胶抗疲劳性能的同时，其强度较蜂窝多孔微结构提高了10倍以上（图五）。

图1. 蜂窝状石墨烯气凝胶的节点失效行为

图2. 石墨烯气凝胶抗疲劳增强策略：节点交链和节点曲率化

图3. 多层堆垛石墨烯的面内层间高度各向异性

图4. 蜂窝结构石墨烯气凝胶节点处的层间失效机理

图5. 石墨烯气凝胶节点曲率化设计

关于作者

       西安交通大学航天航空学院博士生童文浩第一作者，浙江大学庞凯副研究员、西安交通大学航天航空学院覃华松副教授和刘益伦教授为论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省科学技术协会青年人才计划等资助。西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队长期招收研究生和博士后，诚邀国内外优秀青年教师加入团队共同进步，欢迎有意者联系。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202414410